無縫隙地球系統理念下世界氣象中心發展趨勢淺析

王毅 劉爽 代刊 李嘉睿 許萬智 郝伊一

（1 國家氣象中心，北京 100081；2 中國氣象局國際合作司，北京 100081；3 中國氣象局氣象發展與規劃院，北京 100081）

0 引言

世界氣象組織（WMO）作為目前擁有193個會員國和會員地區的政府間組織，是聯合國的專門機構。由于天氣、氣候本身具有無國界的屬性，全球氣象數據交換和共享對于氣象觀測和預報業務的發展至關重要。WMO于1963年在第四次世界氣象大會上通過了啟動世界天氣監視網（WWW）計劃的決議，主要是為了加強氣象衛星的國際合作。當前，WWW已發展到利用觀測技術、通信系統和數值預報等在全球范圍內規范、收集、分析、加工和分發天氣、氣候和其他環境信息，促進各會員的國家氣象和水文部門更好地應對災害性天氣、氣候變化等，以減少生命財產損失、保護資源與環境，并保障社會經濟的發展[1]。WWW計劃包括三個核心部分：WMO全球綜合觀測系統（WIGOS）、WMO信息系統（WIS）和全球數據處理和預報系統（GDPFS）。

GDPFS是由WMO各個會員的業務中心組成的網絡，按照WMO有關規范制作和提供天氣、氣候、水和環境相關產品和服務。GDPFS采用世界氣象中心、區域專業氣象中心和國家氣象中心三層級聯業務體系。世界氣象中心主要通過其發展的全球數值預報模式（以及全球集合預報系統），向WMO各會員，特別是欠發達國家會員提供無縫隙的分析和預報產品，以支持他們開展高影響天氣早期預警[2]。

21世紀以來，人工智能、云計算、新型觀測等新一輪科技的迅猛發展為傳統氣象信息的收集、制作和分發帶來了新的機遇[3]。全球氣候變化背景下社會各領域對氣象預報信息的要求更多更高，未來需要采用綜合地球系統的方法[4]，并朝著基于影響的預報和基于風險的預警方向發展[5]。另一方面，過去幾十年WMO通過制定標準、規則、規范，實現了免費的國際數據共享，成為了全球性組織和國際合作的典范。為了更好地應對新時期數據交換需求的激增和促進國際社會加強合作，WMO修訂了地球系統框架下的統一數據政策，將對世界氣象中心的相關業務產生影響[6]。本文將介紹無縫隙地球系統背景下世界氣象中心的現狀，新技術發展趨勢，并結合美歐國家和地區業務中心對世界氣象中心的發展進行展望。

1 世界氣象中心發展現狀

1.1 世界氣象中心概況

WMO框架下的GDPFS由世界氣象中心（World Meteorological Centre，WMC）、區域專業氣象中心（Regional Specialized Meteorological Centre，RSMC）和國家氣象中心（National Meteorological Centre，NMC）三層業務中心組成，分別在全球、區域和國家層面履行GDPFS的職能，向WMO會員及相關機構提供天氣、水、氣候、環境等分析和預報業務產品。WMO發布的《全球數據處理和預報系統手冊》（WMONo.485）（以下簡稱GDPFS手冊）是各個GDPFS中心運行資料處理和預報系統的技術規則的唯一來源[7]，目的是確保各個中心業務運行采用的資料、信息及制作規范、規程和規格具備足夠的統一性和標準化。

GDPFS手冊規定，WMC須至少開展全球確定性數值天氣預報、全球集合數值天氣預報和全球長期數值預報這三項業務。截至2021年12月，WMO認定的WMC有10個（表1）。美國、俄羅斯、澳大利亞是在1967年WMO第五次世界氣象大會被認定為WMC的，中國、英國、德國、加拿大、日本和ECMWF是在2017年WMO執行理事會第69次屆會上被認定為WMC的，而法國是在2021年WMO執行理事會第73次屆會上被認定為WMC的。不難看出，由于發展全球數值模式需要很高的計算機投資成本、業務運行和維護成本以及科研開發的大量投入，因此WMC絕大部分集中在發達國家。

表1 WMO認定的世界氣象中心及其區域專業氣象中心Table 1 WMO designated WMCs and corresponding RSMCs

承擔WMC職責的國家氣象水文部門也存在著同時承擔WMO區域專業氣象中心的情況，如表1所示。目前被WMO認定為至少三個RSMC的WMC有8個，其中，東京被認定的RSMC最多（7個）。北京被認定的RSMC有4個，包括核環境應急響應、沙塵暴預報、海洋氣象服務和區域氣候中心。一些RSMC除了提供實時業務產品以外還負責協調相關中心的非實時活動，稱為牽頭中心。牽頭中心的職責包括負責對其他中心提交的業務數值模式結果進行驗證或檢驗。例如，ECMWF承擔了確定性數值天氣預報（NWP）檢驗牽頭中心和海浪預報檢驗牽頭中心的職責，負責匯集和發布各中心提交的檢驗結果，同時提供必要的指導。日本氣象廳是全球集合預報模式檢驗的牽頭中心。

1.2 世界氣象中心產品平臺

根據GDPFS手冊（2019版），世界氣象中心須按照要求向WIS提供清單中規定的全球確定性NWP產品（預報時效至少達6 d）、全球集合數值天氣預報產品（預報時效達10 d）和全球長期數值預報產品（預報時效至少達4個月），同時在網站上發布相關業務模式系統的說明文檔及通過WIS提供的產品列表，并保持更新[7]。

各個WMC主要通過WIS的全球信息系統中心（GISC）提供相關產品的元數據，讓WMO各會員能夠發現、檢索和獲取所需的產品。此外，中國、德國等WMC建立了專門的網絡平臺或子網頁來發布相關產品。例如，中國氣象局在2018年建立了世界氣象中心（北京）網站（http://www.wmc-bj.net），實時發布CMA-GFS全球確定性數值模式產品、CMA-GEPS全球集合預報系統產品和CMA-CPS全球氣候模式產品，以及風云氣象衛星觀測產品和氣候指數等產品，網站的用戶訪問量不斷增加，2021年網頁訪問次數已達近30萬。德國氣象局在其官網上建立了世界氣象中心子欄目，實時發布ICON全球確定性數值預報產品和全球集合預報系統圖形產品，最長時效達7.5 d。ECMWF等其他世界氣象中心也通過各自網站提供全球或區域范圍的數值預報模式產品。

GDPFS建立的目的之一是促進合作和信息交換，從而有助于發展中國家氣象水文部門的能力提升。WMO自2006年啟動了“災害性天氣預報示范計劃”（SWFDP），包括中國在內的多個國家的WMC參與了SWFDP的亞洲、非洲等各個區域子計劃，通過建立的網站平臺提供全球NWP產品和集合預報（包含基于站點的）產品，并開展相關技術培訓，為提升發展中國家災害性天氣預報預警能力，減少災害和損失作出了積極貢獻[2]。

2 無縫隙地球系統理念及技術發展趨勢

WMO認定的WMC代表著當前國際氣象業務的先進水平，在數值天氣氣候預報及應用等領域取得了顯著的進步，并建立了相關的數據共享框架，促進WMO各個會員都能受益于這些進步。隨著科學認識的不斷深化，氣象研究已越來越傾向于將地球系統作為一個整體來考慮。2015年，WMO第十七次世界氣象大會提出了“綜合無縫隙GDPFS”的發展方向，即構建從分鐘到年代際，從局地到全球的全覆蓋、無縫隙全球數據處理和預報系統。無縫隙預報理念、AI、云計算等新技術以及WMO地球系統框架下的統一數據政策將推動與影響未來WMC的業務發展。

2.1 無縫隙預報

2014年舉辦的首次世界天氣開放科學大會以及2017年出版的“地球系統科學前沿”白皮書等將無縫隙預報作為未來幾十年科學界指導方針的重要指標，提出從分鐘級到世紀尺度、從米到全球空間尺度的預報發展趨勢[8-9]。短時臨近和延伸期時效是目前預報中備受關注的“縫隙”，也是預報的難點。德國氣象局從2017年起啟動了無縫隙綜合預報系統（SINFONY）項目[10]，主要利用雷達、衛星資料和集合預報模式將臨近預報與短期預報進行融合，旨在改善0～12 h時效的強對流天氣預報。

傳統逐日至周尺度上的天氣預報多依賴于高分辨率大氣數值模式，而月至季節尺度上的氣候模擬和預測考慮了?！憽獨怦詈线^程，但模式分辨率低于天氣預報模式。無縫隙天氣氣候一體化模式是當前國際研究的前沿，目前有個別業務中心能夠運行無縫隙的數值模式，如英國氣象局基于相同的模式框架構建了無縫隙預報體系，即統一模式（UM），包含1.5 km的區域對流尺度模式，幾十公里的氣候模式及上百公里的地球系統模式[11]。

在次季節至季節（S2S）尺度上，WMO發起的S2S預測計劃[12]匯集了來自全球11個業務預報中心制作的次季節預報產品（預報時效長達60 d），包括近實時集合預報和集合再預報，旨在重點改進兩周以上異常天氣事件的預報能力。

面對不同尺度多模式的海量信息，很多業務中心通過發展模式后處理技術來降低模式的偏差，從而得到協調一致的預報結果。例如，英國氣象局融合多模式信息發展了綜合模式后處理和檢驗系統（IMPROVER）[13]，提供無縫隙格點化概率預報產品。我國近些年利用多源觀測、模式數據及新技術、新方法，初步建立了針對不同預報時效的無縫隙精細化網格預報技術，提高預報的準確度和精細度[14]。

2.2 人工智能和機器學習

以機器學習、深度學習為代表的人工智能（AI）技術近些年已經開始在氣象觀測、預報、服務等各個方面發揮作用[15]。WMO研究理事會在2020年設立了百萬兆級計算、數據處理和AI任務組，并開展概念指南的編寫，將在AI相關領域通過國際協調來促進提升地球系統預報能力。WMO還加入了國際電信聯盟“自然災害管理AI焦點組”，將提煉最佳實踐，為自然災害管理的AI國際行動制定路線圖。英國氣象局在其《數據科學框架（2022—2027）》明確提出了將機器學習和AI融入到天氣氣候科學和服務中。

傳統數值天氣預報過程主要涉及初值生成（觀測資料預處理、資料同化）、模式積分（后處理）、產品應用和高性能計算，AI技術已經被應用于各個環節來優化和改善數值預報的性能[16]。從不同時間尺度預報上來看，目前AI技術主要在短時臨近預報、季節預報方面較傳統方法體現出了一定的優勢?；诶走_、衛星等觀測資料，以神經網絡模型為代表的深度學習方法已經成為短時臨近強對流天氣預報的有效途徑[17]。此外，物聯網及新興觀測數據也為發展基于AI的短時臨近預報提供了更多可能性。在季節尺度上，很多學者采用機器學習方法開展了對重要信號（例如ENSO）的預報，取得了較好的效果[18]。也有學者采用純數據驅動的AI技術發展了次季節至季節尺度的預報模型，能夠在3分鐘內生成預報時效長達6周的320個成員的預報，對4周以上的溫度預報效果較好，并且計算效率較數值預報模式顯著提升[19]。對于中期時效的預報，當前機器學習方法還無法取代數值預報模式，其中最重要的一個原因是缺乏高質量的訓練樣本，尤其對于極端天氣事件，其對訓練樣本的要求更高。因此，如何將數值模式和AI技術相融合，構建無縫隙的高分辨率天氣氣候模型將是未來預報業務以及研究需要考慮的重要方向。

2.3 云計算

近年來逐步成熟的云計算技術由于其彈性計算、虛擬化、分布式存儲等特性可以為氣象大數據的存儲和服務提供支撐。通過研發用戶友好的工具，可以將數據進一步集成到用戶的業務流程中。利用云資源，可以實現數據的高交互操作（如數據裁剪和轉換），使得訪問和應用預報信息及產品更加便捷。

WMO的WIS 2.0雖然不會強制使用云計算基礎架構，但鼓勵WIS中心逐步采用云技術，以提供最有效的解決方案。目前，國家氣象部門等公共部門考慮到數據的可靠性、安全性以及高性能計算機的前期投資，尚未大規模將數值模式部署到云上運行。德國氣象局利用試點項目嘗試在商業云上運行針對中亞地區的ICON區域數值模式，并開展計算測試和成本評估。作為學術研究機構，美國國家大氣研究中心（NCAR）已將其全球應用范圍最廣的中尺度數值天氣預報模式（WRF）搭建到云環境[20]，并提供在云環境運行WRF的文檔和教程。相關私營部門對待云計算則更為開放和積極，亞馬遜、微軟和谷歌等云服務提供商（CSP）發展了各種商業云服務和開源平臺，利用云計算和機器學習等研發精細化的預報服務。對于用戶而言，云計算和傳統計算孰優孰劣并沒有統一的答案，這取決于用戶的需求、資源等具體情況。

2.4 WMO全球數據交換政策進展

2021年10月，WMO世界氣象大會特別屆會批準了“地球系統數據國際交換的統一政策”這一具有里程碑意義的決議，將以往天氣、氣候、水等單獨的資料交換政策轉換為統一的政策。該決議將資料劃分為“核心數據”和“推薦數據”兩類，包含天氣、氣候、水文、大氣成分、冰凍圈、海洋、空間天氣等七個領域，將有利于在地球系統框架下提供統一的解決方案，也有利于加強各國公共、私營和學術部門的合作。值得指出的是，該政策也提出除了各會員提交核心觀測數據以外，發達國家會員也須將利用數據加工而成的高質量產品（數值模式預報等）免費和無限制地反饋給其他會員，形成互利互惠的資料交換格局。在此背景下，未來包括WMC在內的GDPFS業務職責將可能隨著地球系統數據政策的實施和相關技術規則的更新而調整和擴充。

3 世界氣象中心發展趨勢

2019年3月，WMO在北京召開了首屆“世界氣象中心研討會”，會議取得了六個方面的成果，并提出了未來無縫隙GDPFS的行動領域和優先重點，包括系統和服務、研究和創新、資料可及性和平臺[21]。針對未來發展，各WMC也根據戰略目標和業務特點制定了各自的發展戰略和計劃，下面將以歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）、美國和中國的WMC為例分別進行介紹。

3.1 歐洲中期天氣預報中心

ECMWF在其《歐洲中期天氣預報中心戰略（2021—2030）》（以下簡稱戰略）[22]中提出了三大支柱，包括科學技術（世界領先的天氣和地球系統科學、前沿技術和計算科學）、影響（提供適合需求的高質量產品，方便用戶高效便捷地獲?。?、組織和人才（實施多站點有效組織，聚焦人才）。

在科技方面，ECMWF將進一步發展對流可分辨尺度（3～4 km）的集合預報，并探索地球系統各個子系統的集合變分同化方法，重點提升兩周以上延伸期時段的預報能力。同時，戰略中還提出要應用先進的高性能計算、AI和機器學習以及天氣云發展一個高精度的地球數字模型，即“數字孿生地球”，以監測和模擬人類活動和極端天氣氣候事件。

ECMWF還重視加強與其他組織的合作，例如，ECMWF和歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）合作開發的“歐洲天氣云”正處于試驗階段，目的是促進各成員、機構和氣象數據用戶之間以數據為驅動的新型合作。ECMWF還參與了歐盟的哥白尼計劃，加強氣候變化和空氣質量監測等。此外，ECMWF近年來加快了數據開放政策的步伐，從2020年10月起將其實時全球模式預報圖形產品通過其網站向公眾免費開放，以更好地為用戶提供服務。

3.2 美國國家海洋和大氣管理局

為了加強氣象服務的協調與合作，確保美國通過地球系統方法引領氣象服務，2020年美國成立了推進氣象服務機構間委員會（ICAMS）[23]。這是近幾十年聯邦機構間協調工作的一次重要重組，該委員會由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）局長與白宮科學和技術政策辦公室（OSTP）主任共同擔任聯合主席，其職責范圍超越了狹義上的天氣范圍，而是包含地球系統背景下所有涉及陸地、海洋、大氣的服務。

面對過去美國國內數值預報發展不集約、不協調的問題，2020年NOAA成立了地球創新預測中心（EPIC）[24]，旨在聯合政府、科研部門及企業共同研發一個用戶友好和可訪問的數值預報業務模式，將采用“開放式創新”模式重點推進統一預報系統（UFS）的研發。UFS是一個基于社區的、耦合的綜合地球模擬系統，涵蓋從局地到全球，從小時到季節尺度的預測，并將主要依靠云計算方式為開發人員和用戶提升訪問數據和資源的便捷性。

3.3 世界氣象中心（北京）

中國氣象局自2017年被WMO認定為世界氣象中心以來，重點結合“全球監測、全球預報、全球服務”的戰略，采用“小實體、大網絡”的方式由國家氣象中心牽頭各業務單位聯合履行世界氣象中心（北京）職責。除了做好WMO規定業務以外，世界氣象中心（北京）還建成了自主可控的全球數值預報預測產品、風云衛星全球監測產品以及中國全球大氣和陸面再分析（CRA）產品的業務體系，通過世界氣象中心（北京）門戶網站和GISC北京對外共享。同時，還開辟了多個欄目及時發布權威技術進展報告以及全球重大（熱點）天氣的業務監測預報英文簡報。

世界氣象中心（北京）統籌協調GDPFS框架下中國承擔的海洋、沙塵、氣候、核應急等相關RSMC以及WIS、WIGOS區域中心，聯合各中心及專家深度參與國際氣象治理。此外，世界氣象中心（北京）還積極開展國際天氣會商和技術培訓，為“一帶一路”沿線重點國家氣象部門開通專門通道，支持欠發達國家會員能力發展和國際防災減災。在模式檢驗方面，世界氣象中心（北京）除了開展規定的全球確定性和全球集合模式的檢驗之外，還開展了區域高分辨率數值模式的檢驗。

2021年，中國氣象局成立了“中國氣象局地球數值預報中心”，聚焦關鍵核心技術，發展我國自主可控的地球系統數值預報模式。2022年發布的《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》中明確提出了“到2035年，氣象關鍵科技領域實現重大突破，氣象監測、預報和服務水平全球領先，國際競爭力和影響力顯著提升”等遠景目標。

4 存在問題

當前被WMO正式認定的世界氣象中心已經有10個，意味著已經有10個全球業務預報模式并提供業務預報指導產品。從地理分布上看，歐洲、美洲、亞洲、大洋洲的世界氣象中心分別有5個、2個、2個和1個，北半球占了9個，歐洲占了半數。因此，從全球業務預報模式的發展上看，存在著明顯區域不平衡的問題。隨著未來向計算效率更快、分辨率更高的全球集合預報系統發展，目前多中心的確定性全球模式將如何發揮作用，是否還需要更多的全球業務中心等都尚待討論[25]。其次，面對日益增加的全球極端天氣氣候事件及防災減災需求，世界氣象中心的功能還有待進一步發揮。據估計，到2030年全球業務中心每天產生的分析和預報數據的量級將達到PB級，然而現階段這些中心可供用戶使用或再處理的數據或產品還比較有限。由于互聯網帶寬以及海量數據本身的復雜性，國際用戶特別是欠發達地區下載和應用這些數據還存在諸多不便。最后，在地球系統框架下，全球水文、海洋、冰凍圈和其他環境數據的交換相比于傳統氣象數據的交換會面臨更復雜的挑戰。對于世界氣象中心（北京）而言，未來如何在無縫隙地球系統理念下更好地提升能力、發揮作用和提升國際影響力還存在著很多的挑戰。一方面需要進一步提升自主核心業務能力，加強地球系統模式和無縫隙預報技術研發，加快與AI、云計算等新技術融合；另一方面需要積極適應WMO新數據政策，發展高質量高分辨率的全球數值模式產品及高交互便捷的訪問途徑，同時還要拓展國際合作交流，借鑒世界先進中心經驗，積極牽頭國際試點計劃，發展更廣泛的國際用戶。

5 結論和討論

本文主要介紹了WMO框架下世界氣象中心的現狀，重點圍繞無縫隙地球系統理念梳理了相關技術發展趨勢和WMO數據交換政策的進展?？梢钥闯?，作為GDPDS三級體系中的頂層業務機構，世界氣象中心通過發展先進的全球數值預報模式，制作全球監測預報產品并向WMO各會員共享信息，為全球防災減災和可持續發展作出了突出的貢獻。

當前國際氣象界已越來越認識到，需要通過綜合無縫隙的地球系統方法，來認識并改進各個時間尺度和連續空間尺度上的陸地、海洋、海冰以及極端天氣的預測，而建立地球系統無縫隙預報需要跨學科和跨部門的合作和協調才能成功。為了迎接時代發展帶來的挑戰，世界氣象中心需要向著更加高效和更具適應性的方向發展：一方面通過加強與科研部門、私營部門的合作，充分發揮機器學習等AI技術在不同時空尺度預報中的優勢，統籌集約地構建天氣氣候一體化的數值預報模式，同時加強對全球產品的本地化釋用，借助云計算等平臺提高產品的可及性和適用性。另一方面，針對WMO新的全球數據交換政策，世界氣象中心需要建立與國家氣象水文部門的互惠合作機制，開展極端或高影響天氣氣候事件的快速響應服務，助力發展中國家提升早期預警和防災減災能力，促進這些國家更積極地開展互動反饋，為全球觀測數據共享作出貢獻，從而實現互利共贏的新發展格局。